Lịch sử vật lí thế kỉ 20 - Phần 7

Phương pháp của ông có phần đi ngược lại hệ phương trình Maxwell. Các phương trình đó cho phép sóng điện từ có cường độ bất kì từ rất mờ đến rất sáng và mọi giá trị ở giữa. Điều đó có nghĩa là năng lượng ánh sáng giống như một chất lỏng có thể đong ra một lượng bất kì. Thay vì thế, Planck quyết định xem năng lượng ánh sáng giống như các nguyên tử hay những hạt cát. Nếu các hạt ấy nhỏ, thì năng lượng có thể đong ra hầu như giống như chất lỏng, như thể nó được điều chỉnh bởi một công tắc sáng tối của đèn điện. Nhưng những hạt lớn tạo ra những khe trống đáng kể giữa các mức khác nhau của độ sáng, giống như một bóng đèn ba cực.

Max Planck, người có nghiên cứu ánh sáng phát ra bởi vật đen đưa đến ý tưởng lượng tử. (Ảnh: AIP Emilio Segrè Visual Archives)

Planck đã gọi một hạt năng lượng là một lượng tử. Để bảo toàn sự phù hợp tốt giữa tiên đoán của ông và các phép đo trong vùng hồng ngoại, ông biết mình cần đến những lượng tử nhỏ ở những tần số thấp. Nhưng để loại trừ vấn đề vướng mắc trong miền tử ngoại, ông cần những lượng tử lớn ở những tần số cao. Ông đã bắt đầu với cách đơn giản nhất có thể để làm điều đó. Ông viết ra công thức biểu diễn năng lượng của một lượng tử bằng một bội số lần tần số của nó.

Đặc biệt, khi Planck chọn một bội số thích hợp, hình dạng phổ tính được của ông ăn khớp với phổ đo được ở mọi tần số từ hồng ngoại đến tử ngoại. Ban đầu Planck nghĩ có lẽ ông cần một bội số khác nhau cho từng nhiệt độ, nhưng ông phát hiện thấy bội số như nhau đó hoạt động tốt ở mọi nhiệt độ.

Ngày nay, bội số đó được gọi là hằng số Planck. Planck nhận thức được rằng con số đó nói lên một cái gì quan trọng về bản chất của ánh sáng, nhưng ông không biết đó là cái gì. Ông đã phát minh ra lượng tử không gì hơn là một thủ thuật tính toán khéo léo, nhưng ông vấp phải thứ dường như là có thật. Thế kỉ 19 đã mở ra với thí nghiệm của Young xác lập rằng ánh sáng là một hiện tượng sóng. Giờ thì, trong năm cuối cùng của thế kỉ ấy, lí thuyết của Planck đang ngụ ý rằng sau rốt thì ánh sáng có thể là một dòng hạt. Hai kết quả mâu thuẫn với nhau, nhưng các nhà vật lí không thể phủ nhận kết quả nào trong số chúng. Việc giải quyết mâu thuẫn đó sẽ đưa vật lí học tiến vào những lộ trình không dự kiến trước của thế kỉ 20.

Tính toán của Planck về phổ ánh sáng phát ra bởi một vật bị nung nóng phù hợp với phổ đo được trong miền hồng ngoại nhưng lại sai khớp nghiêm trọng trong miền tử ngoại. Ông đưa ra khái niệm lượng tử để loại trừ sự trái ngược đó, mặc dù nó không phù hợp với lí thuyết sóng của ánh sáng.

Thế kỉ mới, viễn cảnh mới

Lúc đầu, việc khám phá ra một hạt hạ nguyên tử và sự xuất hiện trở lại của câu hỏi sóng-hay-hạt về bản chất của ánh sáng dường như chẳng đe dọa bức tranh khoa học ưa thích của các nhà vật lí đầu thế kỉ 20. Nó vẫn dựa trên cơ sở vững chắc của các định luật Newton của chuyển động và hấp dẫn, và hệ phương trình điện từ học Maxwell. Sự bảo toàn khối lượng và năng lượng vẫn là hai trong số các nguyên lí nền tảng của nó.

Nhưng các cơ sở và nền tảng ấy sắp lung lay. Nền vật lí học đang biến chuyển, và con người chịu trách nhiệm chính là một kẻ dường như chẳng có tên tuổi gì vào năm 1901, Albert Einstein. Vừa học xong đại học tại Viện Bách khoa Zurich một năm trước đó ở tuổi 21, Einstein bắt đầu thế kỉ mới với việc đi tìm một công việc làm, và ông đã không may mắn cho lắm. Một số giáo sư dạy của ông nhận ra ông rất thông minh tài trí, nhưng ông cũng ngang bướng tới mức họ miễn cưỡng thuê ông làm phụ tá hay khuyên ông đi tìm việc làm khác tốt hơn. Einstein đã hai lần đảm đương vai trò dạy học nhất thời trước khi ông tìm được một chỗ làm lâu dài, với tư cách là một chuyên viên kĩ thuật, hạng ba, ở Sở cấp bằng sáng chế Thụy Sĩ, vào năm 1902.

Công việc đó hóa ra thật lí tưởng. Nó không khắt khe cho lắm, và nó cho phép ông có nhiều thời gian suy nghĩ về những câu hỏi lớn của vật lí học trong khi vừa học lấy bằng tiến sĩ từ trường Đại học Zurich. Năm 1905, ông không những hoàn thành luận án tiến sĩ của mình, mà ông còn viết ba bài báo công bố trên tập san khoa học Annalen der Physik (Biên niên Vật lí học). Mỗi bài báo nói về một đề tài khác nhau, và mỗi bài báo là một kiệt tác.

Lịch sử vật lí thế kỉ 20 - Alfred B. Bortz
Bản dịch của Thuvienvatly.com
<< Phần trước | Phần tiếp theo >>